當(dāng)下，雖說摩爾定律有些失靈，但制程工藝依然在有條不紊地前行著。5nm節(jié)點(diǎn)工藝已經(jīng)量產(chǎn)，臺(tái)積電的3nm也即將實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，并于2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而該公司的2nm工藝也已經(jīng)排上了試產(chǎn)和量產(chǎn)日程。下一步，就是要攻克1nm制程節(jié)點(diǎn)了，但從目前情況來看，1nm的研發(fā)還沒有成熟，還有諸多不確定因素，因此，其試產(chǎn)和量產(chǎn)何時(shí)能夠排上日程，還需要業(yè)界的共同努力。
對(duì)于先進(jìn)制程工藝（這里指10nm以下節(jié)點(diǎn)）來說，其相對(duì)于較為成熟的制程來說，相關(guān)芯片制造的各種因素都是全新的，也是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。總體來看，要想量產(chǎn)出可用的先進(jìn)制程芯片，特別是3nm、2nm和1nm，制造工藝和制造設(shè)備就成為了最具挑戰(zhàn)性的因素，其中，制造工藝大致可分為晶體管架構(gòu)和材料，而制造設(shè)備的核心要素就是EUV光刻機(jī)。而以上這幾項(xiàng)都是頂尖技術(shù)，特別是對(duì)于1nm而言，眼下這些技術(shù)還在研究階段，并未成熟，只有解決掉它們，1nm制程的量產(chǎn)才能真正提上日程。
晶體管架構(gòu)
目前，臺(tái)積電和三星都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了7nm和5nm制程的量產(chǎn)，相應(yīng)的晶體管仍然采用FinFET架構(gòu)，隨著向3nm和2nm的演進(jìn)，F(xiàn)inFET已經(jīng)難以滿足需求，gate-all-around（GAA）架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，其也被稱為nanosheet，而1nm制程對(duì)晶體管架構(gòu)提出了更高的要求。為了將nanosheet器件的可微縮性延伸到1nm節(jié)點(diǎn)處，歐洲研究機(jī)構(gòu)IMEC提出了一種被稱為forksheet的架構(gòu)。在這種架構(gòu)中，sheet由叉形柵極結(jié)構(gòu)控制，在柵極圖案化之前，通過在pMOS和nMOS器件之間引入介電層來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)介電層從物理上隔離了p柵溝槽和n柵溝槽，使得n-to-p間距比FinFET或nanosheet器件更緊密。通過仿真，IMEC預(yù)計(jì)forksheet具有理想的面積和性能微縮性，以及更低的寄生電容。
此外，3D“互補(bǔ)FET”（CFET）也是1nm制程的晶體管方案。CFET技術(shù)的一個(gè)顯著特征是與納米片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的相似性。CFET的新穎之處在于pFET和nFET納米片的垂直放置。CFET拓?fù)淅昧说湫偷腃MOS邏輯應(yīng)用，其中將公共輸入信號(hào)施加到nFET和pFET器件的柵極。
CFET器件的處理需要特別注意pFET和nFET的形成。用于pFET源/漏極的SiGe的外延生長(zhǎng)用于在溝道中引入壓縮應(yīng)變，以提高空穴遷移率。然后執(zhí)行pFET柵極氧化物和金屬柵極沉積。隨后，nFET源極/漏極節(jié)點(diǎn)的外延Si生長(zhǎng)，隨后的柵極氧化物和金屬柵極沉積必須遵守現(xiàn)有pFET器件施加的材料化學(xué)約束。
在VLSI 2020上，IMEC展示了CFET器件的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)概念證明，它是在單片工藝中制造的。該團(tuán)隊(duì)設(shè)法克服了這一復(fù)雜工藝方案的關(guān)鍵工藝挑戰(zhàn)，即從襯底開始，從下到上地加工CFET。在CFET中，對(duì)底層器件（如pFET）進(jìn)行加工后，再進(jìn)行晶圓鍵合，形成頂層器件（如nFET）溝道，然后對(duì)頂層器件進(jìn)行進(jìn)一步加工。CFET為頂層器件中使用的溝道材料提供了更靈活的選擇。
除了IMEC和臺(tái)積電之外，美國(guó)和中國(guó)大陸的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也在進(jìn)行1nm晶體管的研究，并取得了一定的成績(jī)。
例如，今年4月，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院教授劉淵團(tuán)隊(duì)通過使用范德華金屬集成的方法，成功實(shí)現(xiàn)了1nm物理溝道長(zhǎng)度的垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管，為半導(dǎo)體器件性能的進(jìn)一步提升提供了新的思路。晶體管的物理溝道長(zhǎng)度，指的是晶體管內(nèi)源極與漏極之間的距離，物理溝道長(zhǎng)度是晶體管的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)：溝道長(zhǎng)度越短，性能越好。
與傳統(tǒng)的金屬沉積技術(shù)相比，范德華金屬集成可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別平整的界面，從而保證超薄原子溝道近乎完美的平整度，進(jìn)而最大限度地減少漏電流的發(fā)生。因此，采用范德華金屬電極的器件，其器件的柵極調(diào)控和開關(guān)比有大幅度提高。
劉淵教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，具有5 nm溝道長(zhǎng)度的垂直晶體管展示出了三個(gè)數(shù)量級(jí)的開關(guān)比，這比常規(guī)蒸鍍電極的器件高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。而通過將溝道長(zhǎng)度縮小到 0.65 nm，單層器件的開關(guān)比有所下降，但范德華垂直晶體管依然展現(xiàn)出了本征的 N 型半導(dǎo)體特性，表明了短溝道效應(yīng)在原子尺度下依然沒有主導(dǎo)器件的性能。盡管在單層極限情況下器件展示出了一定的隧穿電流和短溝道效應(yīng)，但他們依然證實(shí)，范德華金屬電極可以實(shí)現(xiàn)具有器件功能的亞 1 nm垂直晶體管。
此外，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了尺寸小于1nm，由單個(gè)分子構(gòu)成的晶體管器件。其利用可控?zé)g電極的方法構(gòu)造了納米金屬電極對(duì)，把單個(gè)酞菁錳分子嵌入其中，門電極對(duì)其中的多個(gè)分子軌道能量進(jìn)行靜電調(diào)控，首次在實(shí)驗(yàn)上報(bào)道了二階近藤效應(yīng)的演化方式，驗(yàn)證了數(shù)字重正化群計(jì)算方法中預(yù)言的線性關(guān)系。
材料
在先進(jìn)制程芯片的制造過程中，前道工序負(fù)責(zé)制造出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的晶體管，而中間工序和后道工序則是將這些獨(dú)立的晶體管連接起來，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的芯片功能和性能，這就需要用到各種半導(dǎo)體材料。
如前文所述，1nm制程需要用到forksheet，CFET晶體管架構(gòu)，這些架構(gòu)對(duì)局部互連提出了新的要求，相應(yīng)地，后道工序需要采用新型材料（如釕（Ru）、鉬（Mo）和金屬合金），還需要降低中間工序的接觸電阻。
對(duì)于后道工序而言，金屬線和通孔的電阻和電容仍然是最關(guān)鍵的參數(shù)。解決這個(gè)問題的一種方法是采用另一種金屬化結(jié)構(gòu)，稱為“零通孔混合高度”。這種方案可以根據(jù)金屬線的應(yīng)用需求，靈活地將電阻換成電容。
對(duì)于中間工序而言，為了進(jìn)一步緩解布線擁擠并滿足新提出的晶體管結(jié)構(gòu)的要求，該工序需要進(jìn)一步創(chuàng)新。例如，在CFET中，需要為接觸柵極提供新的解決方案，現(xiàn)在，這對(duì)于nFET和pFET器件來說是通用的。此外，高縱橫比的通孔把各種構(gòu)件互連起來，這些構(gòu)件現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到三維。但是，這些深通孔的主要寄生電阻需要降低。這可以通過引入先進(jìn)的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，例如使用釕。
最近，臺(tái)積電取得了一項(xiàng)成果，其與臺(tái)灣大學(xué)和美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）合作，發(fā)現(xiàn)二維材料結(jié)合半金屬鉍（Bi）能達(dá)到極低的電阻，接近量子極限，可以滿足1nm制程的需求。
過去，半導(dǎo)體使用三維材料，這次改用二維材料，厚度可小于1nm（1~3層原子的厚度），更逼近固態(tài)半導(dǎo)體材料厚度的極限。而半金屬鉍的材料特性，能消除與二維半導(dǎo)體接面的能量障礙，且半金屬鉍沉積時(shí)，也不會(huì)破壞二維材料的原子結(jié)構(gòu)。
1nm制程透過僅1 ~3層原子厚度的二維材料，電子從源極（source）走以二硫化鉬為材料的電子通道層，上方有柵極（gate）加壓電壓來控制，再從漏極（drain）流出，用鉍作為接觸電極的材料，可以大幅降低電阻并提高傳輸電流，讓二維材料成為可取代硅的新型半導(dǎo)體材料。
制造設(shè)備
1nm制程晶體管的制造，對(duì)EUV光刻機(jī)的依賴度很高，而在當(dāng)今全球范圍內(nèi)，只有ASML一家公司具備這種設(shè)備的生產(chǎn)能力。
就在2020年底，與ASML有著密切合作關(guān)系的IMEC表示，ASML已經(jīng)完成了作為NXE：5000系列的高NA EUV曝光系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，但計(jì)劃于2022年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
ASML一直與IMEC合作開發(fā)光刻技術(shù)，為了使用高NA EUV光刻工具開發(fā)光刻工藝，在IMEC校園內(nèi)建立了一個(gè)新的“ IMEC-ASML高NA EUV實(shí)驗(yàn)室”。
除了使用EUV設(shè)備光刻1nm芯片之外，也會(huì)有一些不同的制造理念和方法。例如，早在2017年，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科研人員就宣布實(shí)現(xiàn)了1nm工藝制造，他們成功制造了尺寸只有1nm的印刷設(shè)備，使用的是電子束印刷工藝而非傳統(tǒng)的光刻印刷技術(shù)。
科研人員使用了電子顯微鏡造出了比普通EBL（電子束印刷）工藝所能做出的更小的尺寸，電子敏感性材料在聚焦電子束的作用下尺寸大大縮小，達(dá)到了可以操縱單個(gè)原子的地步。他們?cè)斐龅倪@個(gè)工具可以極大地改變材料的性能，從導(dǎo)電變成光傳輸以及在這兩種狀態(tài)下交互。
1nm印刷使用的是STEM（掃描投射電子顯微鏡），被隔開11nm，這樣一來每平方毫米就能實(shí)現(xiàn)1萬億個(gè)特征點(diǎn)（features）的密度。不過，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的技術(shù)并不代表能很快商業(yè)化，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的1nm工藝跟目前的光刻工藝有很多不同，比如使用的是電子束而非激光光刻，所用的材料也不是硅基半導(dǎo)體而是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）。
結(jié)語
從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)線量產(chǎn)，1nm制程工藝需要攻克晶體管架構(gòu)、半導(dǎo)體材料，以及制造設(shè)備等幾道難關(guān)。從3nm和2nm的發(fā)展和量產(chǎn)節(jié)奏來看，或許到2025年，市場(chǎng)上就會(huì)出現(xiàn)1nm制程的樣片了。